2022年《構(gòu)造地質(zhì)學》教案

1、學習必備 歡迎下載構(gòu)造地質(zhì)學教案第三章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學基礎（本章課序 No.3-5,共 6 學時）一、課堂支配爭論 主要內(nèi)容介紹 本章摸索爭論題二、本章主要內(nèi)容、要點1、主要內(nèi)容 應力：概念 /應力分析（二維應力分析 /三維應力分析） /應力 場,應力軌跡和應力集中 應變：應變橢球體、外形類型及其幾何表示法 遞進變形：共軸 /非共軸遞進變形 巖石有限應變測量 巖石變形行為： 一般試驗條件下的巖石變形行為 /巖石變形階 段（彈性、塑性、斷裂變形）；庫倫剪破裂準就：剪破裂的試驗,體會公式,剪裂角,內(nèi)磨 擦角 摩爾剪破裂準就 /格里菲斯破裂準就 塑性變形及變形機制 影響巖石變形的因素學習必備 歡

2、迎下載2、本章要點 應力的概念；應力與（矢量）力的區(qū)分,與作用面的關(guān)系 應力分析的思路和方法,重點為二維分析；應力圓的性質(zhì)；應力狀態(tài)的應力圓表示應力集中：概念及其地質(zhì)-物理意義應變與變形的區(qū)分；應變橢球體：主應變軸,主應變面,圓切面（圓截面,無應 變面）,線伸長 /線縮短區(qū)域（共軸和非共軸）遞進變形：概念及其對變形現(xiàn)象的說明；應變測量：方法及其設計思路 庫倫剪破裂準就 影響巖石變形的因素各類變形試驗曲線（應力-應變、應變 -時間曲線等）的含義學習必備 歡迎下載三、授課內(nèi)容（一）力學基礎1、應力的概念面力與體力力 外力 面力 體力內(nèi)力 固有內(nèi)力自然狀態(tài)粒結(jié)合力附加內(nèi)力由外力（面、體力）作用引起的

3、作用于物體內(nèi)部（設想的面）或表面（實質(zhì)的面）應力作用于物體內(nèi)部或表面單位位積上的一對大小相等方向相反的力應力的分解P作用力勻稱受力時的表達A面積dP不均勻受力時dA正應力 、剪應力 （切應力）應力符號normal stress, shear stress ,擠壓為正,張應力為負 ,逆時針為正,順時針為負 應力單位 一點的應力狀態(tài) 平穩(wěn)力系,無限小立方體（單元體）力系合成為作用于立方 體（中心）的一對力,立方體置于空間座標系,就每個面 上的應力可分解為共個重量；腳標表示的含義學習必備 歡迎下載 xy應力方向 應力性質(zhì)面法線方向 xx, yy, zz n（兩腳標相同） xx xy xz yy yz

4、 yx zz zx zy 又可寫成 x xy xz y yz yx z zx zy 在平穩(wěn)力系中 yx xy zx xz zy yz 因此 x y yx z zy zx xy, yz, （兩腳標不同）六個應力重量打算了一點的應力狀態(tài)；主應力面彈性力學證明（主平面）主應力最大正應力（位于主平面上的正應力）,主（應力軸）方向 應力狀態(tài) 單軸 單軸壓縮 單軸拉伸 學習必備 歡迎下載雙軸 雙軸壓縮 平面應力狀態(tài) 三軸（一般） 靜水壓力、均壓流體靜壓力 如 靜水 靜巖 雙軸壓縮 平面應力 純剪 ,三軸拉伸 三軸擠壓 二軸擠壓,一軸拉伸 一軸擠壓,二軸拉伸學習必備 歡迎下載3、應力場、應力軌跡、應力集中應

5、力場：各點的集合、 各點的狀態(tài)及其變化主應 力方向軌跡應力（軌）跡線、主應力等值線 用二維表示光彈運算機模擬 e.g. 圖 圖 圖 應力集中物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起應力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變 圓孔表面的切線應力為： （ Cos ）無窮遠處主應力（平均主應力） 切點處半徑線與的夾角點,2,3P 1（）點, 橢圓孔,當長軸平行于時 （ a/b ）說明橢圓孔周邊方向 ,橢圓率越大,就應力越為集中巖石中的微裂隙可近似看作橢圓形孔洞,易于發(fā)生應力集中,導致破裂 材料中要運算應力集中的量值,使之小于切 料強度；否就易于破壞；學習必備 歡迎下載（二）應變分析基礎第一節(jié) 巖石應變分析的基本概念1、變形與位移變形內(nèi)部質(zhì)點位移,使初

6、始外形、方位、位置發(fā)生轉(zhuǎn)變 質(zhì)點初始位置與變形后位置的比較位移的基本方式：平移剛體運動,內(nèi)部各點無相對變化旋轉(zhuǎn)體變 各點相對 形變位置變化,引起應變物體在應力作用下 外形和大小的轉(zhuǎn)變量, 有時包含旋轉(zhuǎn)的 含意變形強度2、應變、應變的度量1線應變（ e）eL1L0L0伸長時取正值110（長度比）L 121e 2平方長度比L02剪應變 tg 偏離右角的量 右行剪切為正 卡片模擬（圖）據(jù)物體內(nèi)部應變狀態(tài)是否變化分為：勻稱,非勻稱變形3、勻稱變形和非勻稱變形勻稱變形 各點應變特點相同,特點為：學習必備 歡迎下載變形前直線仍為直線 變形前平行線仍平行 單位圓橢圓可以一點代表全體 非勻稱 各點不相同 直線

7、非直線 平行線非平行 圓非橢圓 不連續(xù)變形（非漸變的應變狀態(tài),圖3）把非勻稱變形用各單元體來表示褶皺4、應變橢球體形象化設單位圓球半徑 （,）最大應變主軸：只有線應變,無剪應變半軸長1 L 1 1 L 0 （,）（或或 1+e3 （2）1K0 扁型橢球體（壓扁型）（ e1） 1+e2 1 1+e3 （3） 平面應變橢球體（ e1）1+e1+e 或1+e1=1/1+e3 ； e2=0 （4）1 長型橢球體（收縮型）（ e1） 1 1+e2 1+e3 （5）（ e1） 1+e21+e3單軸旋轉(zhuǎn)是球體、棒狀、雪茄狀KK0餅狀鐵餅學習必備歡迎下載二向伸長燒餅10短其中,一向（軸）無變化,一向伸長,一向

8、縮KK1棒狀雪茄一向伸長,二向縮短面棍在體積有變化時,體變 （） b）偏移（r-1 ）當 時（體積減?。﹫D解中 e2=0（平面應變線）向橫座標（證明： （） V4xyz ,V04r343334xyz 4/4333=（x y z）1 或 x yz（ e1） e2 e3 當體積不變（ ） ,時,（ e1）e2 e3即：（ e1）e2 e e3 如 e,就 e2,就 e（ e3）此時中間軸不變,變形只發(fā)生在面上當 時,如為平面應變（e）,就 （ e1）e2 e3（ e1）e 1e 11e 21 1e 31e 2a1e 3 1e 2學習必備歡迎下載1 21e 2 ab ab1 （體積變化時的平面應變）

9、體積變化需用其它方法幫忙求出；6、旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)變形主軸物質(zhì)線方向轉(zhuǎn)變與否旋轉(zhuǎn) 非旋轉(zhuǎn)純剪變形非旋轉(zhuǎn)的特例（并非全部的非旋轉(zhuǎn)變形都是純剪變形,只有無體變,且 變形）無體變e2=0 時的非旋轉(zhuǎn)變形才稱為純剪e2=0（中間軸無變化） y=1 非旋轉(zhuǎn) 純剪變形 e2=0y=1 單剪（效應）純剪剛體旋轉(zhuǎn)7、遞進變形有限應變總應變 無限小應變增量應變 遞進變形初始狀態(tài)至最終狀態(tài)增量應變的疊加過程；（圖）（一） 共軸遞進變形 增量應變橢球主軸始終與有限應變橢球主軸保持一樣 e.g. 遞進純剪變形（圖）（二） 非共軸遞進變形 e.g. 簡潔剪切（前圖）tg 2 剪應變 應變橢球長軸與剪切方向夾角學習必備 歡迎

10、下載當 很小時, ,即增量應變主軸總與剪切方向 成 夾角；在單剪中,不能據(jù)有限應變橢球主軸方一直判定主應力的方向（除了 y 與對應外）在純剪中, x、y、z 與分別對應；E.g. 圖 構(gòu)造分析中,不能簡潔依據(jù)構(gòu)造空間展布方位推斷應力作用 方式,必需從發(fā)生、進展的過程來分析；系統(tǒng)爭論不同強度的構(gòu) 造特點,以明白構(gòu)造進展全過程；其次節(jié) 巖石有限應變測量明白區(qū)域應變分布狀況,推究變形時的應力狀態(tài)；區(qū)域應變場構(gòu)造應力場中小型構(gòu)造也可用來估算地殼舒展或縮短量及方位；本章：利用巖石中的應變標志確定有限應變狀態(tài)1、應變主軸方位的確立利用特點性構(gòu)造e.g. 板劈理、層理xy 面（壓扁面）,拉伸線理 應變量,較

11、大者直接測量（退色斑、杏仁）,較小者需要采集定向標本（鮞粒、石英） ,切片平行主平面2、原始為圓球形個體的應變測量鮞?；|(zhì)與球形個體韌性差異小者為優(yōu),e.g.退色斑（仍原斑）、灰?guī)r 灰?guī)r中的泥球、鮞粒,單晶方解石顆?；蚬栀|(zhì)結(jié)核,雖然與基質(zhì)有肯定韌性差,但可參考使用 不規(guī)章性,如為隨機的,可通過大量測量取平均值來排除 測量方法學習必備 歡迎下載露頭直接進行 顯微鏡 放大的照片 參考線, 走向,在面上 測 xy 或等 測長軸與參考線頭角 數(shù)量：（仍原斑） 運算方法種類算術(shù)平均平均軸比 R 和方向hn/in11 （橢球 iR調(diào)和平均值h當各個體軸率變化較大時,軸比）圖解（長短軸法）個別偏離點不考慮,

12、與手工作等密圖相同 （斜率）長軸短軸 結(jié)果表示：測量面產(chǎn)狀 長軸方向（以側(cè)伏角表示）平均軸率 R；3、原始為橢球形個體的應變測量（ f/ ） 礫石、捕虜體、石英顆粒及集合體 最終狀態(tài)（最終橢圓的軸比 （應變橢圓軸比） i（初始橢圓軸比）f 和方位 ）取決于： （初始橢圓長軸與應變橢圓長軸的夾角）即： ff （ , i, ） f （ , i, ）學習必備 歡迎下載上述變量的函數(shù)關(guān)系式為（Ramsay,1967）：2tog2 = 2 2 2 R S R2 1 Sin 22 R 1 R S 1 R i 1 R S 1 Cos 22 2 2 2 2 2Rf = tg2 2 1 R i2 tg 2 R

13、S tg2 R2 i R S tg tg R i 1 R i tg 據(jù)此可推出,肯定的 值下,不同 I、 變形后的 f 及 值,作出 f/ 曲線圖 曲線外形：對稱單峰（當 I 時,此時 ）（ I） （ ）（ f） 如I（初始軸比）是變化的,就在f 圖上為一組點群,可與一系列理論曲線對應,找合適的 值的曲線要求：四個象限（縱坐標和資料線分開）中的點數(shù)大致 相等,此時說明初始橢圓方位是隨機的,受到了與該理論曲線的 相同的應變；個點子； 當 時,調(diào)和平均值 使其簡化,體會h與 f 求得的 相同, 礫石初始優(yōu)選方位,導致點群分布不對稱,應予排除,參學習必備 歡迎下載考鄭亞東 韌性差（礫石之間,礫石與基

14、質(zhì)間）選與基質(zhì)相同的礫石 如為顆粒支撐礫巖（緊密積累） ,Fry 法有時可防止上述弱點；4、Fry 法據(jù)標志點分布的變化測量應變 前提 標志體中心點的分布在變形前的分布在統(tǒng)計上是各向 同性的；勻稱應變（測量范疇內(nèi)）此時,以任一點為中心,與其它各標志點的距離在各方向上相等； 作法：透亮方格紙：標本切面或放大的照片上的標志體 中心 中心標記 方格紙 二紙重合,使中心標記重合于等一點,投點 平移蓋紙,使與下點重合,連續(xù)投點；學習必備 歡迎下載（三）巖石變形行為第一節(jié) 一般試驗條件下巖石的變形行為 三軸壓力機,流體壓力圍壓, b, 巖石與金屬試驗相像 強度極限 應變硬化后再次加壓后的壓服動 y 屈服應

15、力 y 彈性差別 破壞（斷裂）小的正斜率,應變硬化（中、低溫）穩(wěn)態(tài)流淌（定全塑性材料）塑性變形 受到肯定的應變硬化后不再同到 e1 斷裂變形 強度（極限）抗壓強度抗磁強度（表） 材料性質(zhì) 脆性,應變量（） 與性質(zhì)轉(zhuǎn)換其次節(jié) 巖石的脆性破壞破裂類型 張裂方向（位移破裂面）剪裂 位移 破裂面 試驗和自然界宏觀破裂的主要形式 剪裂角（ ）1、庫侖剪破裂準就剪破裂的試驗,體會公式,剪裂角,內(nèi)磨擦角 內(nèi)摩擦系數(shù) n學習必備歡迎下載n時的抗剪強度（巖石內(nèi)聚力）可改寫成 ln？tg 內(nèi)摩擦角 另： nn tg 2、莫爾剪破裂準就 （內(nèi)摩擦角）隨圍壓的變化而變 f n 砂巖 頁巖 隨圍壓增大而減小3、格里菲斯

16、破裂準就（簡介）問題：庫倫、莫爾未從機制上說明,都為巖石力學試驗的經(jīng) 驗公式 巖石實際破裂據(jù)分子結(jié)構(gòu)理論運算的材料粘結(jié)強度,達 三個數(shù)量級 說明：隨機的微裂隙擴展 應力集中（末端）擴展聯(lián)結(jié) 推導：二維中,作為扁平的橢圓到裂隙當時,）（）（） （或n （ n）拋物線（）（n剪裂面上剪應力）（n剪裂面上正應力）學習必備 歡迎下載存在問題：據(jù)（）式,在單軸壓縮時, C（抗壓強度）, 這與試驗結(jié)果, （抗壓強度）（） （抗強度不符）；4、修正的平面格力菲斯準就 麥克林托克和華西（） , 假定微裂隙在受壓方向上閉合,隙的擴展 莫爾包絡成為：n= n 從而產(chǎn)生肯定摩擦力影響微裂評判：初步描述了破裂過程的真

17、實物理模式與試驗結(jié)果仍有較明顯不一樣e.g. 估計的單軸抗壓與抗張強度之比都過低莫爾包絡線與實際的斜率不嚴格一樣 仍舊是較合試驗的準就, 廣泛用于構(gòu)造地層、 巖石力學第三節(jié) 影響巖石變形行為的因素作用力 大小方式巖石變形特點 巖石力學性質(zhì) 礦物組成 , 結(jié)構(gòu) , 構(gòu)造變形條件 圍壓 , 溫度 , 孔隙壓力,流體 , 時間1、巖石各向異性對變形的影響面構(gòu)造層理、面理旋或破裂先存脆弱面破裂強度（ ）與夾角（ 與先存面理）的關(guān)系剪裂面與 的夾角當 大時（ ）剪裂角當小時（ ）剪裂角或很小學習必備 歡迎下載2、圍壓增大強度極限 增大韌性3、溫度韌性增大,屈服極限降低 溫壓同時考慮（在地殼中）脆韌性轉(zhuǎn)換

18、帶 3.5 公里（擠壓）公里（拉伸）與圍壓小于擠壓環(huán)境有關(guān) 拉伸試驗 擠壓試驗曲線 轉(zhuǎn)換所需的圍壓與溫度成反比4、孔隙流體作用：降低強度,促進壓溶、重結(jié)晶（塑性變形）孔壓抵消圍壓,降低強度,易于脆性破壞,減小有效圍壓 e effective 圍壓孔隙壓 p 或 e. 剪裂張裂當孔壓反常大到幾乎等于圍壓時,巖石 5、時間（1）應變速率 瀝青、麥芽糖、快慢 降低屈服極限,脆性材料韌性浮起效應 Alps 巖席（在達到時應變時, 所需的差應力與應變速率成反比、此圖涉及自然應變 Log e 的負值,可略去不講；）（2）蠕變彈性后效 蠕變強度（ 蠕）當 蠕,流淌變形（蠕變,固流體） （塑性流變）學習必備

19、歡迎下載試驗說明,巖石具有一臨界應力值或蠕變強度（基本強度）,應力小于該強度,巖石變形表現(xiàn)為固體（不發(fā)生蠕變）6、巖石的粘性和能干性（強弱性）流變與剪應力關(guān)系為： （剪應力） e（流變） 粘度,或粘性系數(shù), a （帕斯卡 秒） 蠕變巖石看作高粘度的固流體, a 地下高溫, 變小,為 aS（,耶魯大理巖）另一方面,高壓力 粘性體； 能干性時,仍為彈性,因此,把巖石看作是一種彈“ 能干” 的含義易于發(fā)生塑性流變的程度 某種程度上,也可用粘性比表示巖石能干性的差異 有時,把能干性差異與韌性差異相混,但韌性應為達到破壞前 的塑性變形量,不完全與能干性等同；能干性取決于：1、巖石的礦物組成,2、粒度 3

20、、構(gòu)造因素（片狀,塊狀）amsay能干性差異排序：（.60 ）（四）巖石的塑性變形機制遠比脆性變形機制復雜有多種塑性變形機制, 巖石流變特點及顯微構(gòu)造組成礦物性質(zhì)變形條件絕大部分塑變由單晶晶內(nèi)滑動粒間滑動1、晶內(nèi)滑動和（低溫）位錯滑動晶內(nèi)滑動 沿肯定滑移系,由晶體結(jié)構(gòu)打算滑移面高原子離 子密度面“ ” 方向 原子離子排列最密集的方向?qū)W習必備 歡迎下載e.g. Quartz ,底面（）上 面雙晶（機械）晶內(nèi)滑移使晶粒外形轉(zhuǎn)變a 軸方向,方解石,底面, e結(jié)晶軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)晶格優(yōu)選方位 e.g. 圖Quartz 為滑動面 滑動面間距不變 在微觀上,滑移并非發(fā)生在整個滑移面上 滑移 第一發(fā)生不應力集中區(qū)

21、（晶體缺陷處）然后滑移已沿滑移面擴張 最終與晶粒邊界相交,產(chǎn)生一個階梯 位錯線滑移區(qū)與未滑移區(qū)的界線 圖示 其原理相當于“ 拉地毯” 額外半面 位錯傳播受阻,形成網(wǎng)絡和纏結(jié),此時需增大應力才能連續(xù)傳 播應變硬化,變脆受阻緣由：低溫雜質(zhì)不同方向不同滑稱面上的位錯 當應力大到肯定量,晶體破裂,故純是位錯滑動,不能形成大 的塑性變形量；2、位錯蠕變高溫變形機制 復原作用（當 . m；m-melt 時）開頭起重要作 用,位錯攀移 符號相反者互抵“ 相同者” ,重新排列成位錯壁把晶粒一分為二,形成亞晶粒（Subgrain ）,品行方位略差異,亞晶內(nèi)部位錯密度降低,多邊形 化作用；單偏光下一個晶粒 正交偏光幾度消光位差 動態(tài)重結(jié)晶 高應變能儲存處變形晶粒邊界 局部高位錯密度處學習必備 歡迎下載較高溫度以下成新生顆粒,核幔構(gòu)造 動態(tài)重結(jié)晶顆粒,光性差大（ ）,正交鏡下邊 界明顯,犬牙交叉狀邊界；亞晶粒的形成 復原和動態(tài)重結(jié)晶的作用 降低位錯密度,使應變連續(xù)進行 巖石不破裂而有很大塑性變形 顆粒化3、擴散蠕變壓溶作用物質(zhì)擴散轉(zhuǎn)移,顆粒外形轉(zhuǎn)變 有粒間水膜時更易發(fā)生 壓力顆（須狀增生）同構(gòu)造（張性）脈 不變質(zhì)或淺變質(zhì)區(qū)更重要4、顆粒邊界滑動粒間滑動超塑性流淌 松散的沙子 巖石